以α－ZrP为固体润滑剂，分别以２，６－二叔丁基对甲酚（BHT）和二苯胺（DPA）为抗氧剂，制备了锂基润滑脂。分别采用SRV高频线性往复摩擦磨损试验机和四球机摩擦磨损试验机考察了这两种抗氧剂对α－ZrP锂基脂摩擦磨损性能的影响，用3D白光干涉仪、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察并分析了磨痕表面形貌和主要元素。结果表明，当复配抗氧剂质量分数为1.0％时，α－ZrP锂基脂在保持减摩性能稳定的同时，抗磨性能得到明显提升，有效地延长了润滑脂寿命。
层状α－ZrP材料由于具有良好的机械强度和化学稳定性，在润滑领域作为固体润滑剂已经开展了系列研究。据报道，离子液体热体系合成的α－ZrP在矿物油中具有良好的润滑性能，四球机润滑实验表明，质量分数为１.0％的α－ZrP在承载力和抗磨性能方面均优于相同添加质量的MoS2。通过研究α－ZrP和有机胺插层α－ZrP对重质矿物油黏度和减摩性能的影响，发现添加α－ZrP和胺插层α－ZrP后均可以有效地降低基础油的黏度，从而降低了基础油的摩擦系数。
直接水热合成的Cu（OH）2Zr（HPO4）2·2H2O（简称为Cu－α－ZrP）作为锂基脂固体润滑剂，四球试验机润滑性能结果表明，在相同实验条件下，Cu－α－ZrP的摩擦学性能明显优于MoS2。进一步采用SRV线性往复试验机，仍以α－ZrP、Cu－α－ZrP为锂基脂固体润滑剂研究了往复运动模式下的摩擦学性能。研究发现，往复运动下α－ZrP比Cu－α－ZrP具有更加稳定的润滑性能。
为了提高润滑脂使用寿命、保持其润滑性能长时间的稳定性，抗氧剂是润滑脂中常用的添加剂之一，在润滑脂添加剂中，每一种组分的添加都会对原有润滑脂的润滑性能产生影响。因此，本文在前期润滑研究工作的基础上，优选目前润滑脂使用广泛的两种类型抗氧剂酚型２，６－二叔丁基（BHT）对甲酚和胺型二苯胺（DPA），以质量分数为５.０％α－ZrP作为锂基脂固体润滑添加剂，分别选用四球和SRV高频往复摩擦磨损试验机，考察了这两
种类型抗氧剂对添加了质量分数５.０％α－ZrP锂基脂摩擦学性能的影响，为α－ZrP的实际应用提供理论和技术支持。
一、实验部分
1、润滑脂的制备
将部分基础油（PAO8）倒入敞口不锈钢反应器中，加入脂肪酸（ｍ（１２－羟基硬脂酸）∶ｍ（硬脂酸）＝４∶１），启动搅拌器，加热升温至70～80℃，待脂肪酸完全溶解，再加入预先溶于水的氢氧化锂溶液（ｍ（氢氧化锂）∶ｍ（水）＝４∶１），在～℃下皂化２～３ｈ；皂化结束后，加入硬脂酸或氢氧化钠调节游离酸碱（控制游离碱0.06％～0.15％），反应30min后，加入升温油，升温至～℃，保持10min后，停止加热；温度降到℃时，加入急冷油，温度降至℃时，加入已称量好的质量分数为5.0％的α－ZrP(质量分数5.0％是最佳添加量），搅拌冷却至室温，停止搅拌，从反应器中取出润滑脂，依据实验需要，依次分别加入质量分数1.0％，1.5％，2.0％的BHT、DPA抗氧剂，搅拌均匀后，将润滑脂在三辊研磨机上研磨４次，得到复配抗氧剂的α－ZrP锂基脂样品。
2、摩擦磨损实验
1）.SRV摩擦磨损试验
Ｏptimo1SRV－V型摩擦磨损试验机评价润滑脂的摩擦学性能。摩擦副的接触形式为球－盘点接触，上试件钢球为ＧCr15钢，θ10ｍｍ，ＨRc硬度：59～64，表面粗糙度Ｒａ：0.μｍ；下试件钢盘为ＧCr１５钢盘，θ7.８８×２４ｍｍ，ＨＲｃ硬度：59～61，表面粗糙度Ｒａ：0.μｍ．根据标准ASTMD－11，考察载荷、频率、运行时间对润滑性能影响。记录实时即时摩擦系数，每组试验在相同条件下重复３次，试验前用石油醚超声清洗钢球和钢盘。
2）.四球摩擦磨损试验
采用四球试验机MS－10A型（长磨试验）和MS－10J型（PB、PD试验）评价润滑脂摩擦学性能。钢球为GCr15钢，θ12.7ｍｍ，HRc硬度：59～61．按照石化标准SH／T－92，测试润滑脂样品的承载PB值和烧结负荷ＰＤ值；考察了载荷、时间对润滑性能的影响。实验结束后利用分辨率为0.01ｍｍ的光学显微镜测量３个下试球的磨斑直径，取其平均值作为测试结果。摩擦系数及即时摩擦系数曲线由试验机自动记录。
3).磨损表面分析
采用配置Ｘ射线能量色散谱仪（EDS，Bruker，QUANTAX70）的扫描电子显微镜（SEM,Hitachi，TM－）观测下试球磨斑表面形貌并分析其表面元素分布。选用3D光学轮廓仪（Zygo，Zegage）测量下试件钢盘的体积磨损量。
二、结果讨论
1、高频线性往复摩擦磨损试验
1）、抗氧剂添加量对α－ZrP锂基脂润滑性能的影响
首先利用SRV－V高频往复摩擦磨损试验机，在钢－钢摩擦副，点－点接触，往复运动模式下，研究复配抗氧剂BHT和DPA后，对α－ZrP锂基润滑脂摩擦学性能的影响。
如图１所示是在α－ZrP润滑脂中含有不同质量分数抗氧剂时，载荷为N，频率30Hz下的平均摩擦系数和体积磨损量。由图１（ａ）可以看出，随着抗氧剂ＢＨＴ质量分数的增大，摩擦系数相比于基础脂变化不大，在0.～0.之间波动；下试件钢盘的体积磨损量随着BHT添加量的增加，先减小再增大，当添加量为1.0％时，具有最佳的抗磨效果。图１（ｂ）是抗氧剂DPA的添加量对平均摩擦系数和体积磨损量的影响，与BHT变化趋势相似，亦是DPA添加量为1.0％时，效果最好。
2）、载荷对α－ZrP锂基脂润滑性能的影响
如图２所示是当BHT和DPA的添加质量分数均为1.0％，频率为30Hz时，在不同载荷条件下的平均摩擦系数和体积磨损量。由图２（ａ）可以看出随着载荷的增大，３种润滑脂的平均摩擦系数均呈现逐步减小的趋势，其中在不同载荷下，质量分数为1.0％BHT的减摩性能均优于仅含质量分数为5.0％α－ZrP的基础脂；在载荷～N下，含质量分数1.0％DPA的减摩性能亦优于5.0％α－ZrP基础脂，但其承载负荷不如质量分数为1.0％BHT润滑脂，在承载负荷为Ｎ时，出现卡咬。由图２（ｂ）可以看出随着载荷的增大，下试件钢盘的体积磨损量逐渐增大，但相比于α－ZrP基础脂，随着载荷的增加，质量分数为1.0％BHT和1.0％DPA润滑脂的体积磨损量均比基础脂低，抗磨性能优于α－ZrP脂。这说明在不同载荷下，BHT和DPA分别与α－ZrP有较好的复配增效性，减摩、抗磨性能均得到了提升。
3）、频率对α－ZrP锂基脂润滑性能的影响
选择了３种润滑脂都能承载的最高载荷N作为运行载荷，研究了线性往复运动下，频率对α－ZrP锂基脂复配质量分数为1.0％抗氧剂的润滑性能影响。图３给出了频率变化为20～60Hz条件下的平均摩擦系数和体积磨损量。
从图３（ａ）可以看出在所选频率范围内，３种润滑脂的平均摩擦系数随着频率的增加呈上升趋势，且变化曲线出现交叉，３种脂的平均摩擦系数在0.～0.范围出现波动，表明添加抗氧剂BHT和DPA后，减摩性能与α－ZrP脂相近。
从图３（ｂ）可以看出，加入质量分数为1.0％抗氧剂，在所选频率范围，DPA脂和BHT脂的体积磨损量都低于α－ZrP脂。在频率为20～30Hz时，DPA脂比BHT脂的抗磨性能好；在频率为40～50Hz时，３种润滑脂的下试件钢盘体积磨损量数值接近，BHT脂比DPA脂的抗磨性能略好，特别是在60Hz时，BHT脂的体积磨损量仍保持了与α－ZrP脂相近的数值。因此，α－ZrP脂在复配质量分数为1.0％BHT和DPA抗氧剂后，在所选运行载荷N和频率范围内，基本保持了原有α－ZrP脂的润滑性能。
4）、时间对α－ZrP锂基脂润滑性能的影响
加入抗氧剂的目的就是在保持原有润滑脂性能的基础上，有效地延长润滑脂的使用时间。因此，本文选择运行载荷N，频率30Hz，运行时间由原来的30min延长至5h，研究长时间运行下，抗氧剂BHT和DPA对α－ZrP脂润滑性能的影响。
图４为长时间运行下的即时摩擦系数曲线。α－ZrP脂的即时摩擦系数在运行至47min时出现陡升，摩擦系数达到较高的数值0.35，持续了约4min，然后降至0.10；但在复配抗氧剂BHT和DPA后，即时摩擦系数在5ｈ内始终保持在0.～0.波动，运行全程非常稳定，并未随时间延长而发生摩擦系数的大幅度波动。因此，复配抗氧剂后，保持了稳定的减摩性能。
图５所示为α－ZrP脂、复配质量分数为1.0％BHT脂和质量分数为1.0％DPA脂，在相同运行载荷N，30Hz的条件下，分别运行30min和运行5h后下试件钢盘体积磨损量的对比图。由图５可见，运行30min的α－ZrP脂、质量分数为1.0％BHT脂和质量分数为1.0％DPA脂的下试件体积磨损量（10－４ｍｍ３）依次为3.69，3.46和2.57；当运行时间延长至５ｈ后，３种脂的下试件体积磨损量（10－４ｍｍ３）依次为.02，4.74，4.83，长时间运行后，α－ZrP脂的体积磨损量呈现大幅度增加，磨损加剧；但复配BHT和DPA后，增加量非常小，可见，复配抗氧剂后，在抗磨性能上有了显著的提升，有效地改善了α－ZrP锂基脂的润滑性能。
2、四球机摩擦磨损试验
1）、抗氧剂添加量对α－ZrP锂基脂润滑性能的影响
利用四球摩擦磨损试验机，在钢－钢摩擦副，点－点接触，旋转运动模式下，研究复配抗氧剂BHT和DPA后，对α－ZrP锂基润滑脂摩擦学性能的影响。
抗氧剂BHT和DPA添加的质量分数分别为1.0％，1.5％，2.0％，在温度（25±５）℃，转速r／min，时间10s的试验条件下，研究复配对α－ZrP锂基脂的承载能力（PB）和烧结负荷（PD）的影响；进一步在载荷N，温度75℃、转速r／min、时间30min的条件下，考察复配对α－ZrP锂基脂减摩和抗磨性能的影响。结果见表１。
从表１可以看到，复配抗氧剂后，烧结负荷PD值始终保持在N，而承载力PB值有一定的下降，由α－ZrP脂的N下降至质量分数为1.0％BHT脂的N，质量分数为1.0％DPA脂的N。平均摩擦系数μ略有增高，但磨斑直径（WSD）D值保持在同一水平。结果表明，复配抗氧剂后，虽然α－ZrP脂的极压性能有一定程度的下降，但仍基本保持了原有α－ZrP脂的减摩和抗磨性能。
在温度75℃、转速r／min、时间30min的条件下，进一步研究了这３种脂的长磨失效负荷。α－ZrP脂、添加质量分数为1.0％BHT脂和添加质量分数为1.0％DPA脂的长磨失效负荷依次为，，N，因此，在载荷N，r／min，温度75℃，运行时间延长至５ｈ，研究了长时间运行下，复配抗氧剂后３种润滑脂的减摩和抗磨性能。
从图６可知，３种脂的即时摩擦系数都比较平稳；图７是这３种脂长时间运行后的平均摩擦系数和磨斑直径，平均摩擦系数依次为0.，0.，0.；磨斑直径分别为1.05，0.84，0.80ｍｍ，复配抗氧剂后，抗磨性能得到了提高。
3、磨损表面分析
为了进一步验证抗氧剂BHT和DPA对润滑性能的影响，本文对摩擦试验后摩擦副的表面形貌和元素组成进行了3D－SEM和EDS分析。图８是使用SRV高频往复试验机在点－点接触下，往复运行５ｈ后下试件钢盘磨损表面的3D轮廓图、SEM照片和EDS元素分析。
由图可见，在相同摩擦试验条件下，仅有α－ZrP存在时，下试件钢盘表面粗糙，磨痕宽且深，呈现橄榄球状；在分别含有抗氧剂BHT和DPA的润滑脂作用下，下试件钢盘的划痕显著变窄且表面光滑平整。由3D－SEM图片的对比可见，在α－ZrP脂中添加一定量抗氧剂BHT和DPA后，钢盘的磨损程度明显减轻，与摩擦试验结果相符合。磨痕表面的EDS图谱分析可以看出，钢盘表面除了钢盘自身Fe，Cr元素外，还有一定量的Zr，Ｐ元素赋存，表明钢盘表面有α－ZrP固体膜存在。
图９是四球摩擦磨损试验机点－点接触旋转运动５ｈ条件下，下试件钢球磨损表面的3D－SEM和EDS分析。从3D轮廓图中可以看到，虽然钢球表面都能够看到明显的划痕，但仅有α－ZrP存在时，摩擦试验后钢球的磨斑明显比含有抗氧剂BHT和DPA的磨斑大，且磨斑边缘粗糙。对应的SEM照片也显示钢球表面不光滑，α－ZrP脂比含有抗氧剂脂的表面更粗糙，复配BHT和DPA后，钢球表面局部地方有明显的粘附。钢球磨损表面的EDS元素分析显示，钢球表面除了Fe，Cr元素外，有一定量的Zr，Ｐ元素赋存，表明钢盘表面有α－ZrP固体膜存在。以上结果表明：复配抗氧剂BHT和DPA后，在长时间摩擦过程中摩擦副表面的磨损程度明显减轻。
三、结论
１）含α－ZrP锂基润滑脂复配抗氧剂BHT和DPA的最佳添加质量分数为1.0％．
２）往复运动模式下，在高载荷N，长时间５ｈ运行条件下，复配BHT和DPA的润滑脂不仅运行稳定且保持了优良的抗磨性能。
３）旋转运动模式下，在高载荷N，长时间５ｈ运行条件下，复配BHT和DPA的润滑脂运行稳定，保持了较好的抗磨性能。
４）3D白光干涉仪、SEM和EDDS对摩擦副表面的分析表明：α－ZrP与抗氧剂复配前后，在摩擦副表面有固体膜覆盖，有效地降低了磨损。
